一種新型的90°彎曲圓波導TE01-TM11模式變換器的設計

　　在耦合波理論的基礎上，對圓波導軸線(xiàn)彎曲結構的TE01-TM11模式變換器進(jìn)行了理論分析。同時(shí)使用MATLAB 編制了迭代法的計算程序，并進(jìn)行了大量的數值計算和優(yōu)化，設計出了一種新型的90°彎曲圓波導TE01-TM11模式變換器，并給出該TE01-TM11模式變換器的最優(yōu)化結構輪廓。數值計算表明該模式變換器的最高轉換效率達到99. 55%，轉換效率大于95%的帶寬超過(guò)29%。最后，利用CST 仿真軟件對該模式變換器進(jìn)行了仿真驗證，仿真結果與數值計算結果一致性較好。

　　回旋行波管在毫米波段以其高功率、高增益、寬帶寬等優(yōu)點(diǎn)，在高功率毫米波雷達、毫米波通信、電子對抗等方面有著(zhù)廣闊的應用前景，因而在國際上倍受重視。由于，回旋行波管的輸出模式一般采用TE02�；騎E01模，是對稱(chēng)非線(xiàn)性極化的高階體模，其軸向輻射呈現出不理想的空心圓錐狀，不利于直接使用，需要進(jìn)行模式變換。一般波導模式變換器按照以下兩種變換方案實(shí)現模式變換。

　　(1) TE0n(回旋行波管) -TE01(低損耗傳輸) -TE11-HE11(天線(xiàn)) ；

　　(2) TE0n(回旋行波管) -TE01(低損耗傳輸) -TM11-HE11(天線(xiàn)) ；

　　第一個(gè)變換序列的模式變換器沒(méi)有大的彎曲，只需要沿軸線(xiàn)旋轉TE01-TE11模式變換器就可改變電磁波的極化方向，非常方便，不過(guò)工作頻帶較窄并且變換器長(cháng)度較長(cháng)。第二種變換序列，用TM11模式作為中介極化模，然后再轉換為HE11模式向外輻射。目前，TE01-TM11圓波導模式變換器采用常曲率彎曲方法或簡(jiǎn)單的正弦彎曲方法，文獻中介紹了兩種方法實(shí)現TE01-TM11模式轉換，其中常曲率彎曲轉換效率達到97. 6%、帶寬為34. 2%； 正弦彎曲轉換效率達到98. 9%、帶寬為32%。但以上變換器彎曲角度均為45° 左右。由于實(shí)際應用的需求，需將回旋行波管輸出的毫米波從豎直方向轉換成水平方向，那么就需要一個(gè)90°轉頭來(lái)實(shí)現以上輸出方向的轉變。目前實(shí)現90°方向轉變的方案主要有2種:①TE01-45°反射鏡-TE01-TE11-HE11( 天線(xiàn)) ，該方案存在輸出帶寬較窄以及變換序列復雜等缺點(diǎn)， 90%轉換效率的帶寬不到10%； ②TE01-45°TM11-TE01-TE11-HE11( 天線(xiàn)) ，文獻對第二種90°彎頭進(jìn)行了研究，其基本思路是將兩個(gè)45°的彎曲圓波導對接，使得TE01模式先轉變?yōu)門(mén)M11模式，然后再由TM11模式轉變?yōu)門(mén)E01模式；

　　該方法有兩個(gè)缺點(diǎn)，一是模式變換過(guò)程過(guò)于復雜會(huì )導致能量的損失； 二是模式變換器是兩段對接而成，連接處對加工工藝要求較高。本文結合工程應用需求，設計了一種緊湊、高效的新型90°彎曲圓波導TE01-TM11模式變換器。設計出的模式變換器一方面直接實(shí)現了波導傳播方向90°的轉變； 另一方面TE01模式直接轉變?yōu)門(mén)M11模式輸出，減少了波導能量的損失并且實(shí)現一體化的設計。本文首先在耦合波方程理論的基礎上，運用迭代法對90°彎曲圓波導TE01-TM11模式變換器的幾何結構及尺寸進(jìn)行設計、優(yōu)化分析。最后，利用CST三維仿真軟件對設計出的90°彎曲圓波導TE01-TM11模式變換器進(jìn)行仿真驗證，數值計算結果與仿真模擬結果一致性較好。

　　結論

　　本文采用TE0n(回旋行波管) -TE01(低損耗傳輸) -TM11-HE11(天線(xiàn)) 變換序列，利用迭代法優(yōu)化設計出了一種新型的TE01-TM1190°彎頭模式變換器，簡(jiǎn)化了橫向輸出TE01-HE11模式變換系統的復雜度。數值計算和仿真結果表明，設計的90°彎曲圓波導TE01-TM11模式變換器的最高轉化效率達到99. 55%，轉換效率大于95% 的帶寬達到29. 7%。以上研究工作為回旋行波管外接橫向輸出傳輸鏈路-模式變換器系統的設計提供了技術(shù)支撐。